[發明專利]一種圖像傳感器像素結構及其操作方法

有效

• 申請號: 201410765148.4
• 申請日: 2014-12-11
• 公開（公告）號: CN104485342A
• 公開（公告）日: 2015-04-01
• 發明（設計）人: 郭同輝;曠章曲
• 申請（專利權）人: 北京思比科微電子技術股份有限公司
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146;H04N5/374
• 代理公司: 北京凱特來知識產權代理有限公司 11260
• 代理人: 鄭立明;趙鎮勇

技術領域

本發明涉及圖像傳感器領域，特別涉及一種圖像傳感器像素結構及其操作方法。

背景技術

圖像傳感器已經被廣泛地應用于數碼相機、移動手機、醫療器械、汽車和其他應用場合。特別是制造CMOS(互補型金屬氧化物半導體)圖像傳感器和CCD(電荷耦合型器件)圖像傳感器技術的快速發展，使人們對圖像傳感器的輸出圖像品質有了更高的要求。

在現有技術中，隨著市場的需求和半導體制作工藝精度尺寸不斷縮小的進步，圖像傳感器的分辨率不斷增加，而像素單元面積在不斷減小，例如市場上已經出現了1.4um，1.1um，甚至0.9um的像素的圖像傳感器，但是圖像傳感器的像素面積越小飽和阱容量就會越低，從而影響了動態范圍，使得使用小面積像素的圖像傳感器采集的圖像效果不盡人意。例如，1.1um像素的阱電容約為0.5fF，其信號飽和阱容量范圍一般為2500e^-～3500e^-，而0.9um像素的飽和容量可能會低至1500e^-。

現有技術中的圖像傳感器像素一般采用CMOS圖像傳感器四晶體管像素結構，如圖1所示。四晶體管有源像素的元器件包括：光電二極管101、電荷傳輸晶體管102、復位晶體管103、源跟隨晶體管104和選擇晶體管105、以及列位線106、漂浮有源區fd(Floating?Diffusing)，其中Cfd表征漂浮有源區fd的寄生電容，rx、tx、sx分別為復位晶體管103、電荷傳輸晶體管102、選擇晶體管105的柵極端，Vdd為電源電壓。光電二極管101接收外界入射的光線，產生光電電荷，光電二極管101積分完畢時，開啟電荷傳輸晶體管102，將光電電荷從光電二極管101轉移至漂浮有源fd后關閉電荷傳輸晶體管102，此光電電荷被源跟隨晶體管104探測到，并轉換為光電電勢信號，同時開啟選擇晶體管105，通過列位線106將光電電勢信號讀出。

現有技術中的小面積圖像傳感器像素，因為面積小，其飽和電荷容量被限制在電容有限的光電二極管器件及其像素的工作方式上；像素的面積越小，其飽和容量越低，其采集到的圖像信息量就會越少，進而降低了圖像傳感器采集的圖像品質。

發明內容

本發明的目的是提供一種高效的、提高圖像傳感器像素飽和容量的圖像傳感器像素結構及其操作方法。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

本發明的圖像傳感器像素結構，包括置于半導體基體中的光電二極管、復位晶體管、源跟隨晶體管、選擇晶體管、漂浮有源區，還包括第一電荷傳輸晶體管和第二電荷傳輸晶體管，所述第一電荷傳輸晶體管與第二電荷傳輸晶體管之間設有電容；

所述第一電荷傳輸晶體管的源極與所述光電二極管相連，其漏極與所述電容和第二電荷傳輸晶體管的源極相連，所述第二電荷傳輸晶體管的漏極與所述漂浮有源區相連。

本發明的上述的圖像傳感器像素結構的操作方法，包括步驟：

a、復位光電二極管操作，開啟復位晶體管，第一電荷傳輸晶體管和第二電荷傳輸晶體管，將光電二極管中的電荷清除完畢后，關閉復位晶體管，第一電荷傳輸晶體管和第二電荷傳輸晶體管，光電二極管開始積分；

b、第一次光電電荷轉移操作，第二電荷傳輸晶體管處于關閉狀態，光電二極管積分時長為t1時，開啟第一電荷傳輸晶體管，將光電二極管中的光電電荷轉移至電容完畢后，關閉第一電荷傳輸晶體管；

c、第二次光電電荷轉移操作，第二電荷傳輸晶體管處于關閉狀態，光電二極管積分時長距第一次光電電荷轉移操作t2時，開啟第一電荷傳輸晶體管，將光電二極管中的光電電荷轉移至電容完畢后，關閉第一電荷傳輸晶體管；

d、第N次光電電荷轉移操作，第二電荷傳輸晶體管處于關閉狀態，光電二極管積分時長距第N-1次光電電荷轉移操作tn時，開啟第一電荷傳輸晶體管，將光電二極管中的光電電荷轉移至電容完畢后，關閉第一電荷傳輸晶體管；

e、復位電勢信號讀取操作，光電二極管積分周期結束后，第一電荷傳輸晶體管和第二電荷傳輸晶體管處于關閉狀態，開啟復位晶體管，漂浮有源區復位完畢后，關閉復位晶體管，然后開啟選擇晶體管，復位電勢信號經由列位線被后續電路讀取并保存；

f、光電電勢信號讀取操作，復位電勢信號讀取操作完畢后，復位晶體管處于關閉狀態，第一電荷傳輸晶體管處于關閉狀態，開啟第二電荷傳輸晶體管和選擇晶體管，將儲存在電容中的光電電荷轉移至漂浮有源區完畢后，關閉第二電荷傳輸晶體管，光電電勢信號經由列位線被后續電路讀取并保存。